〈元素的世界〉氚與碳-14的故事

劉公典 2021/04/26 09:31 點閱 3867 次

在所有放射性同位素中,氚和碳-14是比較特別的二個。首先,它們除了都是經由宇宙射線,在大氣層撞擊氮氣後產生,也可以經由人工核分裂反應產生;此外,二者也都能「無縫接軌」潛進生物圈,參與所有生物,包括人體之所有反應與循環。

根據2001年國際原子能總署(IAEA)報告,全世界每年天然氚的產出量約為1.3×10¹⁸貝克(1.3 EBq)。但是在1950年代中期到1960年代初期之間,因為大量核武試爆的結果,導致大氣層氚含量增加超過140倍。在1963年達到最大高峰時,整個北半球雨水中的氚濃度暴增將近1000倍。

天然氚與人工氚

而且在北半球有許多地方,至今都可以在樹木的年輪中,發現留有這種沉降記錄的痕跡。美國環保署的預估是要到2030年,天然氚與人工氚的濃度才會接近相等(https://trainex.org/web_courses/tritium/reference_pages/tritium%20EPA.pdf)

IAEA評估全球核能工業每年產生大約0.43 EBq氚,這個數量是天然氚產量的三分之一。因為很難捕獲,所以氚在英、美、法、蘇等30國核能工業排放氣體與液體中總放射活度之佔比,大約都位於前三名,從1%~50%不等,視反應爐的種類與營運狀態而定。

南韓為例,南韓有20個壓水式反應爐和4個壓力式重水反應爐,總年度排放量是3.80~4.87×10¹⁴貝克,其中氚佔總放射性活度40~50%,接近一半,相當可觀。由於全球有四分之一的核能電廠機組,是位在西太平洋及台灣海峽沿岸,對我國海域的氚含量也自然會有很大程度的影響。

環境中的氚可進入人體

氚在衰變時會放出貝他射線,由於能量很低(18.6 keV),無法穿透人體皮膚,因此如果氚在人體外部時,對人體的影響並不大。但是也別因此掉以輕心,因為環境中的氚是可以輕易經由飲水、食物(像是海鮮)和呼吸,以氣體或液體的形態進入人體,包括雨水經皮膚吸收,並且在幾小時內均勻分佈於全身。

美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室於1993年針對胎兒發育的研究發現,貝他射線比加馬射線和x射線具有更大的生物等效性。在低劑量時,氚的生物等效性,其實比銫-137或鈷-60高出2~3倍。

尤其是當氚與有機分子,如胸苷(thymidine)結合成為「有機氚(OBT)」時,相對生物等效性會高出2倍。含有氚的「長壽分子」,因為不會隨細胞增殖而稀釋,所以可能會在細胞的生命週期內,產生較大的劑量效應。

小心白血病

加拿大核管會2010年的報告對此解釋說,由於胎兒快速發育,因此對輻射的敏感度,會比嬰兒、兒童或成人更高。至於輻射對胎兒最大的傷害,包括智力低下、宮內發育遲緩和兒童癌症,如白血病。

2018年,法國放射防護和核醫學研究所(IRSN)在其回顧論文說,由氣態或液態氚釋放到環境後,所形成的有機氚可能在生物體中積累。IRSN以2005年英國威爾斯加的夫灣和塞文河口採樣的海洋生物中,發現高濃度氚為例,指出此一現象反映在海洋生物所攝取的有機氚,具有持久性,而不僅僅只是可以從海水中累積到生物體。

過去在英國布里斯托爾海峽,位於卡迪夫工廠排放口附近,所捕獲的魚被測到含有出乎意料含量的氚,該地區海水中氚的濃度是10貝克/升,卻有高達90%以上被魚類吸收,顯示海洋氚很可能有不少都是屬於OBT型態。